[论文解读] High Resolution Polar Kerr Effect Measurements of Sr2RuO4: Evidence for Broken Time Reversal Symmetry in the Superconducting State

Jing Xia, Yoshiteru, Maeno+3 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Jul 20, 2006

Advanced Condensed Matter Physics被引用 31

一句话总结

本研究通过高分辨率偏振 Kerr 效应（PKE）测量，提供了 Sr2RuO4 在超导态中时间反演对称性（TRS）破缺的直接实验证据。采用波长为 1550 nm 的零面积 Sagnac 干涉仪，研究人员在 Tc ≈ 1.5 K 以下检测到高达 65 纳弧度的非零 Kerr 旋转，明确表明其具有类似于 3He-A 的 p 波超导序参量，即 d(k) = ẑ[kx ± ik y]，且为时间反演对称性破缺态。

ABSTRACT

Polar Kerr effect in the spin-triplet superconductor Sr2RuO4 was measured with high precision using a Sagnac interferometer with a zero-area Sagnac loop. We observed non-zero Kerr rotations as big as 65 nanorad appearing below Tc in large domains. Our results imply a broken time reversal symmetry state in the superconducting state of Sr2RuO4, similar to He3-A.

研究动机与目标

• 在不依赖缺陷或杂质的前提下，明确确立 Sr2RuO4 超导态中时间反演对称性（TRS）破缺。
• 利用高灵敏度光学技术，在高质量单晶 Sr2RuO4 中检测到体相、本征的 TRS 破缺信号。
• 通过检测非零极化 Kerr 效应，确定超导序参量的对称性。
• 排除俘获涡旋或外部效应等替代解释对观测信号的影响。
• 确认 d(k) = ẑ[kx ± ik y] 的 p 波配对态，与自旋三重态、奇宇称超导性一致。

提出的方法

• 采用零面积环路 Sagnac 干涉仪测量极化 Kerr 效应，实现极高的灵敏度，达到 10 μW 光功率下的散粒噪声极限灵敏度 100 纳弧度/√Hz。
• 使用波长为 1550 nm 的超辐射二极管（SLED）作为光源，通过保偏光纤和光纤环形器维持光的偏振态。
• 利用电光调制器（EOM）将光束分裂为正交偏振分量，并通过 10 米长的保偏光纤传输，再经非球面透镜聚焦到 Sr2RuO4 样品上。
• 通过四分之一波片将正交线性偏振转换为右旋和左旋圆偏振，以检测由 TRS 破坏引起的非互易相位移。
• 测量非互易相位移 φnr = 2θK，其中 θK 为 Kerr 旋转角，通过干涉仪设计将信号与互易效应分离。
• 在 He-3 制冷机中从室温降至 0.5 K 进行测量，采用场冷却和零场协议，以检验涡旋或磁场诱导伪影的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Sr2RuO4 是否在其超导态中表现出体相、本征的时间反演对称性破缺？
• RQ2 在高质量 Sr2RuO4 单晶中，极化 Kerr 效应是否能在 Tc 以下检测到非零信号，从而指示 TRS 破缺的超导序参量？
• RQ3 观测到的 Kerr 旋转是否与 d(k) = ẑ[kx ± ik y] 的 p 波超导态一致，而非其他可能的配对对称性？
• RQ4 观测到的信号是否可归因于外部效应，如俘获涡旋或表面缺陷？
• RQ5 Kerr 旋转的大小和温度依赖性如何？其与超导能隙的标度关系如何？

主要发现

• 在 Tc ≈ 1.5 K 以下观测到高达 65 纳弧度的非零极化 Kerr 旋转，而高于 Tc 无信号，表明存在体相 TRS 破缺态。
• Kerr 信号随温度降低而增强，与超导序参量的增长同步，并在 0.5 K 处趋于饱和。
• 在零磁场下信号持续存在，且在高达 4.7 Oe 的磁场冷却下未被消除，排除了俘获涡旋作为来源的可能性。
• 在强磁场下信号符号随机，与需在 Hc1 附近磁场下才能有序化手性特征一致，表明其为本征起源而非外部效应。
• 测得的约 65 纳弧度信号与基于偶极子诱导 Kerr 旋转与能隙 Δ 成正比的简单模型理论估算值约 100 纳弧度一致。
• 结果支持 d(k) = ẑ[kx ± ik y] 的 p 波配对态，使 Sr2RuO4 在 TRS 破缺超导行为上类似于 3He-A。